ГЕОГРАФИЯ
ГИПОТЕЗА О ДВОЙНОМ СКАЧКООБРАЗНОМ ИЗМЕНЕНИИ
КЛИМАТА В XX ВЕКЕ © 2015 г. П. В. Белолипецкий, С. И. Барцев, академик РАН А. Г. Дегерменджи
Поступило 09.09.2014 г.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 460, № 1, с. 79-83
УДК 551.
Б01: 10.7868/80869565215010168
Наблюдаемое за последние 13 лет прекращение роста глобальной температуры противоречит прогнозу, полученному на используемых МГЭИК-моделях общей циркуляции атмосферы и вод океана [1]. Отсутствие прямой связи между растущей концентрацией парниковых газов в атмосфере и глобальной температурой может быть расценено как проявление собственной динамики "климатической машины".
Идея о том, что климат существует в форме "режимов" (или состояний) и климатические изменения часто происходят в виде переключений между ними, получила распространение в 1990-е годы. Было показано, что тысячелетние изменения климатических показателей в прошлом и вариации этих показателей в новое время можно представить как результат резких переключений состояния климатической системы Земли [2]. Отмечали, что система "биосфера—климат" — существенно нелинейная: входы и выходы не пропорциональны, изменения, скорее, неожиданные и резкие, чем медленные и непрерывные, наличие множества равновесных состояний — норма [3]. Обсуждали возможность реализации пороговых явлений и множественных состояний в системе "биосфера—климат" [4, 5].
В нашей работе был проведен простой и благодаря этому наглядный статистический анализ временных рядов приповерхностной температуры. При этом дополнительное условие, соответствующее научному подходу, заключалось в выборе минимального набора исходных данных, позволяющих реконструировать наблюдаемую динамику с достаточной точностью. В результате была сформулирована новая гипотеза: потепление климата в XX в. происходило в результате нескольких скачкообразных смен режимов, а не непрерывно.
Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской Академии наук, Красноярск
Институт биофизики Сибирского отделения Российской Академии наук, Красноярск
Оказалось, что для описания динамики температуры океана за 1900—2012 гг. как минимум в двух регионах (тропики (30° ю.ш.—30° с.ш.) и северные умеренные широты (30°—60° с.ш.)) достаточно учитывать пороговые изменения температуры и естественные моды изменчивости явления Эль-Ниньо для тропиков и Тихоокеанскую десятилетнюю осцилляцию (ТДО) для умеренных широт.
Рассмотрим температуры поверхности тропического океана (ТПО) (30° ю.ш.—30° с.ш.) (рис. 1). Большинство температурных аномалий в этих широтах объясняется Эль-Ниньо. И, на первый взгляд, эти естественные осцилляции должны быть дополнены некоторым непрерывным потеплением. Но можно заметить, что динамика температуры с середины 1980-х гг. по настоящее время хорошо воспроизводится с помощью линейной регрессии по Эль-Ниньо и не требует тренда потепления (рис. 1а). С другой стороны, регрессия по Эль-Ниньо воспроизводит период с 1950 г. по середину 1980-х гг. (рис. 1б, серая линяя) достаточно хорошо, но неадекватна вне этого интервала.
Это говорит о том, что вполне возможно в середине 1980-х годов произошел резкий подъем средней температуры. Например, это могло быть связано с некоторой сменой климатических режимов в середине 1980-х гг. Предположим, что существует дополнительный фактор, определяющий климат, — индекс климатического режима, ступенчатая функция, равная 0 до перехода и 1 после. Рассматривая величину и дату климатического скачка как параметры линейной регрессионной модели, можно определить, что лучшее время для этой гипотетической смены режима — 1987 г. В результате получается реконструкция температурных аномалий без непрерывного потепления как минимум с 1940-х гг.
Для того чтобы получить адекватную реконструкцию с 1900 г., предположим наличие еще одного абсолютно такого скачка в первой половине XX в. Настройка показывает, что он мог произойти с декабря 1925 г. по январь 1926 г. Следователь-
80
БЕЛОЛИПЕЦКИЙ и др.
Температурная аномалия, °С
1.0 г
-1.0_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Годы
Температурная аномалия, °С
Годы
Рис. 1. Регрессия временного ряда температурных аномалий по его фрагментам. Черная линяя — наблюдаемые ТПО в тропиках (30° ю.ш.—30° с.ш.), серая — линейная регрессия по Эль-Ниньо, построенная по: а — 1984—2010 гг.; б - 1950-1980 гг.
но, индекс климатического режима становится двухступенчатой функцией, которая равна —1 до 1926 г., 0 — в 1926—1987 гг. и 1 позже. Следует отметить, что значения —1, 0, 1 — индикаторы различных климатических режимов в предположении, что сдвиги в 1925/1926 и 1987 гг. вызывают равные изменения в температурных аномалиях — 0.28°С. С использованием этой модели получается адекватная реконструкция с 1900 г. по настоящее время (рис. 2).
Конечно, имеются некоторые различия между наблюдениями и реконструкцией. Но поскольку цель нашей работы заключается в выделении основных факторов, позволяющих строить адекватные реконструкции, мы специально не рассматривали много других, возможно, оказывающих влияние факторов, — вулканы, солнечная активность и пр.
Аналогичный линейный регрессионный анализ проведен также для ТПО северных умеренных широт (30°—60° с.ш.). Здесь вместо Эль-
Ниньо большая часть изменчивости тесно связана с ТДО. Адекватная реконструкция в этом регионе достигается, если допустить, что смена режимов произошла позже, чем в тропиках, — в середине 1926 г. вместо границы 1925/1926 гг. и в первой половине 1988 г. вместо середины 1987 г. При этом величина температурных скачков здесь выше, чем в тропиках, — 0.36°С. В этом случае аномалии ТПО воспроизводятся достаточно хорошо (рис. 3).
Следует отметить, что коэффициенты линейной регрессии могут быть определены с помощью небольшого участка данных (например, в 1910— 1940 гг. — по 15 лет в каждую сторону от скачка в 1925/1926 гг.). При этом весь период 1900—2012 гг. воспроизводится почти так же хорошо, как при определении параметров регрессии по всему временному ряду (коэффициенты корреляции уменьшаются менее чем на 1%).
Сопоставление поверхностных температурных аномалий с климатическими модами применяли и ранее [6, 7]. Как известно, тренды измене-
ГИПОТЕЗА О ДВОЙНОМ СКАЧКООБРАЗНОМ ИЗМЕНЕНИИ
81
С
Е о X
<3 §
я
§
а
и
с
2 <и Н
0.5 0.3 0.1 -0.1 -0.3 -0.5 -0.7
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
С
0.6 0.4 0.2
--0.2 -0.4
0.4 и 0.2 ° „ 0 ^-0.2 -0.4
Годы
" Вклад Эль-Ниньо (б)
Вклад смены климатических режимов
(в)
Рис. 2. Реконструкция временного ряда поверхностных температур для тропиков. а — черная линяя — ТПО в тропиках (30° ю.ш.—30° с.ш.), серая — линейная регрессия по Эль-Ниньо и индексу климатического режима, настроенная по 1900—2012 гг., линия с ромбами — среднегодовые значения температурной аномалии суши по СЯиТЕМ4 этих широт; б — вклад Эль-Ниньо в тропические ТПО; в — вклад смены климатических режимов в изменение тропических ТПО.
ний климатических мод Эль-Ниньо и ТДО практически равны 0 с начала XX в. по настоящее время. Поэтому то, что средняя температура поверхности имеет высокую корреляцию с этими климатическими модами в коротковолновой области, указывает на возможность очистки от влияния этих мод. А отсутствие тренда в модах Эль-Ниньо и ТДО указывает на то, что поверхностное потепление обусловлено другими факторами. Как один из вариантов, позволяющий построить наиболее простые регрессионные модели, в нашей работе предложены климатические режимы и резкие переключения.
Анализ литературы показал, что существует много указаний на наличие климатических и экологических сдвигов в рассматриваемые 1925/1926, 1987/1988 гг. Сдвиги наблюдали в физических и биологических параметрах океанов [8, 9], популяциях птиц [10] и рыб [11], локальных экосистемах [12], глобальном углеродном цикле [13], распределениях давления [14] и температуры [15]. Оказалось, что всесторонний статистический анализ выделяет несколько дат смены климатических ре-
жимов, однако обнаруженные путем приведенного в работе простого анализа даты переходов в 1925/1926, 1987/1988 гг. отличаются от прочих по ряду параметров.
Можно заключить, что представленный анализ указывает на наличие климатических сдвигов в 1925/1926, 1987/1988 гг. Заметим, что их обнаружение не является тривиальной задачей. Во-первых, необходимо рассматривать температуру поверхности океана, потому что очень изменчивые температуры суши маскируют эффект. Во-вторых, различные широтные пояса надо рассматривать отдельно, так как смешивание различных источников изменчивости также скрывает эффект. В-третьих, использование среднегодовых значений вместо среднемесячных ведет к осложнению обнаружения сдвигов. При этом само существование этих скачков маскируется естественной изменчивостью, обусловленной Эль-Ниньо и ТДО, которые дают наибольший (преобладающий) краткосрочный вклад в температурные аномалии.
82
БЕЛОЛИПЕЦКИИ и др.
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
0. 0. 0.
-0. -0. -0.
0. 0.
Вклад ТДО
Годы
Вклад смены климатических режимов
(в)
Рис. 3. Реконструкция временного ряда поверхностных температур для северных умеренных широт (30°—60° с.ш.). а — черная линяя — ТПО северных умеренных широт (30°—60° с.ш.), серая — линейная регрессия по ТДО и индексу климатического режима, настроенная по 1900—2012 гг., линия с ромбами — среднегодовые значения температурной аномалии суши по СЯиТЕМ4 этих широт; б — вклад ТДО в ТПО этого региона; в — вклад смены климатических режимов в изменение ТПО этого региона.
Однако обнаружить смены режимов намного легче, чем понять, какие именно процессы управляют ими. Мы не рассматривали физические механизмы и причины сдвигов. Существует много различных вариантов, так как климат — комплексная нелинейная динамическая система. Причинами могут быть, например, внутренняя динамика, непрямой эффект солнечного, вулканического или антропогенного воздействия. В нашей работе только предлагается гипотеза, что климат, являясь сложной нелинейной системой, может находиться в квазистационарных сост
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.